在随机和倾斜移相下光强归一化的迭代移相算法

由于存在振动和导向误差,干涉仪移相器在移相过程中产生随机的平移误差和倾斜误差,会给测量结果带来影响。因此高精度测量中对环境的稳定性和移相器的性能要求很苛刻。为了降低此种要求,针对随机和倾斜移相下干涉图背景光强和调制度的不均匀会影响移相平面计算的问题,对采集得到的干涉图做归一化处理,并利用迭代最小二乘法对归一化的干涉图做相位求解。迭代过程中,将干涉图分块来求解移相值,并对各移相值做平面拟合得到移相平面。仿真结果表明,该方法消除了背景光强和调制度的不均匀对倾斜系数计算的耦合作用,能够有效补偿倾斜移相误差对面形相位的影响,与其他方法相比,具有收敛速度快、求解精度高的特点。实验结果进一步验证了该方法的有效性。     

双点干涉法位相缺陷检测中的解相算法比较

双点光源移相干涉测量是大口径光学元件位相缺陷检测的一种重要方法。为了分析双点干涉中误差对解相算法的影响,首先给出相位缺陷检测的系统结构和理论模型,在此基础上,针对测量过程中主要存在的一次移相误差、二次移相误差、光强误差和随机振动误差,研究了Hariharan 5帧移相算法、13帧移相算法和迭代随机移相算法的解相误差,并进行了仿真分析。结果表明,针对这几种误差源,13帧算法解相精度整体优于5帧法,迭代随机移相算法解相效果优于13帧法和5帧法,当这几种误差按实际指标同时作用时,迭代随机移相算法解相误差RMS小于5帧法和13帧法,PV值稳定在0.5 nm以内。由于随机振动占主要作用,说明迭代随机移相算法受误差影响很小。     

一种基于移相误差估计的5步移相算法

移相误差是用移相法进行相位测量的主要误差。本文提出一种 5步移相算法 ,分两步进行相位计算 ,首先估计实际步进移相的线性移相误差 ,然后再利用此移相误差估计值计算相位分布。移相误差估计公式和相位计算公式简洁 ,算法简单易行 ,对线性移相误差和二次谐波的敏感度低 ,可基本消除线性移相误差对解调相位的影响。对本文提出的算法进行了仿真研究 ,同时给出了 Hariharan 5步算法、Surrel 6步最小算法的仿真结果。结果表明 :本算法明显优于以上两种算法 ,可基本消除线性移相误差引起的相位偏移。本算法适用于作等步移相的相位测量或移相的标定。     

高精度干涉检验移相算法对振动误差的免疫能力

对移相干涉测量中影响移相稳定性,从而产生测量误差的小幅度机械振动进行了研究,建立了振动误差模型,仿真分析了Wyant84b三步算法、Hariharan87五步算法、七步算法和十三步算法4种不同移相算法对振动的免疫能力。模拟结果显示,十三步算法对振动的免疫能力最好,与已发表文献成果吻合,说明本文的模拟具有较高的可信度,在一定程度上能够对影响干涉仪精度的振动误差进行合理预测,并能够起到评价和筛选移相算法的作用。     

移相干涉测量术及其应用

为了对移相式数字干涉仪在光学元件测量中的应用有全面了解，介绍了移相干涉术的基本原理。结合激光数字波面干涉仪，阐述移相干涉术的四步重叠平均算法、压电晶体移相器(PZT)的结构、3 PZT的组合方法、移相器的标定误差和非线性误差的校正方法、波面相位解包的自适应种子算法、波面相位的评价指标等内容。结合移相数字波面干涉仪，叙述了移相干涉测量技术在普通光学元件、红外光学元件、大口径光学元件、非球面光学元件等测量中的应用并指出了应用过程中的注意事项。最后明确指出光干涉技术正沿着高相位分辨率、高空间分辨率、宽波段和瞬态高速测量的方向发展，并将会在瞬态波前测量、微机械的微结构动态分析等方面有着越来越广泛的应用。     

移相干涉技术中移相器的自校正方法

移相干涉技术（ＰＳＩ）是８０年代兴起的一门干涉图形自动识别技术，移相器作为移相干涉技术的关键部件其移相误差将直接影响到移相干涉技术的干涉图的识别精度。本文提出了一种移相器的自校正方法，即利用移相干涉仪的自身系统，通过快速傅里叶方法，对移相器进行逐步逼近校正。结合移相式红外干涉仪的研制，给出了一组移相器的自动校正的实验，实验表明，校正后的移相器的非线性误差可由原来的５％降低到０．２％。     

长干涉腔波长移相计算的自适应相位筛选法

波长移相干涉仪可用于大口径光学元件的测试。其移相量需经过标定方可采用定步长移相算法计算相位分布。在长腔长测试条件下,由于激光器的波长调谐驱动源的精度有限,采用定步长移相算法求解相位分布的精度不高。在分析干涉腔长和波面计算误差的基础上,提出了一种自适应相位筛选计算方法。根据电压-相位标定曲线采集多组周期干涉图,对干涉图中的光强值进行均匀分布抽样后,对其进行随机移相计算,求取每帧干涉图精确的步进移相量,从中筛选出移相量为π/2的四帧干涉图,利用四步移相计算公式求得精确的相位分布。实验结果表明,在波长移相干涉仪中运用该方法,可以很好地解决长腔长测试条件下的相位计算问题,与未进行筛选的计算结果比较,其测试精度得到了显著提高。     

一种一步π移相相位快速提取算法

提出可实现动态测量的一步π移相相位提取算法。该算法是将具有π移相的两幅干涉图进行重新排列组合,构造出一幅含有时域-空域信息的时空条纹图,通过提取时空条纹图中的信号谱来快速求解相位。在时空条纹图的频谱中,时间频率的引入使得信号频谱能够与背景干扰频谱有效分离,因此在不需要高载频的情况下依然能够对信号谱进行有效提取。将其应用在移相干涉测量中,与传统移相法进行对比发现,此算法不仅能够有效地消除移相误差,而且能够有效地消除高频噪声。另外,分析了此法在不同频率以及不同移相误差值下对测量精度的影响,在归一化空间频率大于0.03、移相误差值在±30°范围内,其面形恢复偏差均方根值能够控制在1.358×10-3λ以内。     

菲索干涉仪中精确移相的实现

为了实现移相式菲索干涉仪对光学元件面形的高精度测量,建立了干涉仪同步采集移相系统,并对精确移相方法进行了研究。介绍了移相系统的构成和工作原理,计算了测量过程中移相器的速度。针对PZT移相器在移相过程中会引入离焦误差,并存在加速段和减速段的问题,详细设计了移相器的行进过程。最后,对移相器的性能进行了标定。在改造后的干涉仪上开展了重复性验证实验,结果表明：干涉仪可以获得λ/11 340的RMS测量重复性。对改造后干涉仪与Zygo公司生产的Verifire XP/D干涉仪的测量精度做了比对实验,结果显示：相同元件下两者测量结果的面形RMS之差约为0.9 nm,表明提出的移相系统及移相方法在重复性和准确度方面都能满足纳米级面形测量的要求,为研制高精度移相干涉仪奠定了基础。     

迭代最小二乘法用于非线性移相器的标定

针对移相干涉仪中移相器的非线性会影响测量结果准确性的问题,提出了一种基于迭代最小二乘拟合的标定干涉仪移相器的新方法。对移相器加电压并采集若干幅干涉图后,通过在帧间和帧内迭代开展最小二乘拟合可计算出干涉图间移相值,从而得出了电压值与移相值的对应关系曲线,通过对曲线作非线性拟合并对电压值进行精密调整,完成移相器的精确标定。在改造后的干涉仪上对此标定方法进行验证,与Zygo干涉仪相比,相同元件下两者测量结果之差的RMS值为1.726 nm。该标定方法可以降低高精度面形测量干涉仪对移相器线性度的要求。     

Analysis of Phase Measurement Errors in Electro-Optic Holography

This paper presents the results of an error analysis in electro-optics holography. These errors include phase measurement errors due to the linear phase shifter errors in static electro-optic holography, and phase measurement errors due to the errors in the vibrating bias amplitude and phase in dynamic electro-optic holography. Through the error analysis, we found that the phase shifting errors in static electro-optic holography are twice as large as those in the conventional 4-bucket phase shifting algorithm, and the phase shifting errors in dynamic electro-optic holography are similar to those in the 4-bucket phase shifting algorithm.     

自适应压电式移相器的研究

移相器是移相干涉仪中的重要部件,压电式移相器由于分辨力高、响应快、控制容易而被大量采用。但压电陶瓷的非线性误差与位移量小,一直影响其应用范围的扩大。针对该问题,从压电式移相器机构与扩展方法入手,设计了具有放大特性的柔性铰链式移相器。采用单神经元(Proportional sum derivative,PSD)控制算法,实现微驱动定位的自适应实时控制,改善了非线性,降低了环境干扰的影响,提高了压电式移相器的性能。所设计的压电式移相器用3组压电陶瓷堆驱动,可用于100 mm孔径镜片,位移行程达30μm以上。实验验证该方法有效,控制精度达0.01μm。     

用于全场光学相干层析成像的无色散相移器研究

提出了基于旋转λ/2波片无色散相移器的理论模型,和实施该相移器功能的全场光学相干层析成像(Optical coherence tomography,OCT)系统,为实现快速、高分辨光学相干层析成像提供了一种有效方法。该相移器能在宽光谱范围内无色散地获得八倍于λ/2波片旋转角的相移量,避免了利用单色光相移算法提取信号时存在的系统误差。针对修正Carré算法和三步相移算法所要求的不同相移量,在240 nm波长范围内,对相移器的性能进行了数值分析。结果表明,在给定光谱范围内,相移量越大,相移误差的绝对值也越大,幅值比变化范围也越大。用于实施无色散相移器功能的全场光学相干层析成像系统结构,与现有结构相比,具有一些有益的特点。     

移相干涉术的一种新算法：重叠四步平均法

提出了一种能大大地减小由于移相器的位移误差而引起相位复原误差的新方法，即重叠四步平均法（Ｏｖｅｒｌａｐｐｉｎｇ Ａｖｅｒａｇｉｎｇ ４－Ｆｒａｍｅ （ＯＡＦ） Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）。给出了这种方法的盯们复原精度与移相器的位移误差之间的关系式，从关系式中可见，ＯＡＦ算法大大地减小由于移相器的位移误差而引起相位复原误差，通过计算机模拟，得到了各种算法的相位复原精度与移相器的位移误差之间的关系曲线，分析     

全场光学相干层析成像系统的研制

研制了一套采用旋转1/2波片无色散移相器进行移相操作的全场光学相干层析成像系统.该移相器能在宽光谱范围内无色散地获得8倍于1/2波片旋转角的移相量,能快速、方便地为各种移相算法提供所需的移相量.移相量实测结果表明：系统获得了8倍旋转角的移相量,提出的移相器结构正确.采用Hariharan移相算法对反射镜样品进行的成像实验表明系统具有较高的移相精度.最后进行的实物样品成像实验,检验了系统的有效性. 关键词： 全场光学相干层析成像 无色散移相器 旋转1/2波片     

Instantaneous phase shifting arrangement for microsurface profiling of flat surfaces

Phase shifting interferometry is a well-established technique for non-contact surface profile measurement. Though phase shifting technique has many advantages, it is marred by a few inaccuracies due to the vibration and mechanical movement of the phase shifter itself. Significant amount of work is reported to theoretically compensate these error sources. But for a few works, prominent achievements have not been reported in eliminating these error sources in phase shifting interferometry. In this paper, a novel optical layout, in combination with instantaneous phase shifting interferometry is described. Experiments were carried out with this setup on a super mirror with a λ/20 surface roughness, to demonstrate the validity of the principle.     

用特征多项式构造相移干涉相位提取算式

用相移干涉术测量物体表面形貌时，各种误差因素特别是相移器移相误差的影响使得表面形貌的测量偏离了实际值，甚至会产生形貌失真的现象。采用傅里叶分析的方法对相位提取算式作了理论分析，并根据特征多项式设计分析理论构造了新的、对移相误差不敏感的相位提取算式。经实验验证，该算法有效地提高了相移干涉仪测量表面形貌的Ra值，重复测量精度达5倍以上，使测量结果更接近实际值。     

抑制高阶谐波误差的随机相移条纹分析算法

高阶谐波和随机相移误差是影响条纹分析精度的主要因素。为了同时解决这两个问题,提出了基于频域滤波的迭代相移算法。该算法采用巴特沃斯低通滤波器,从频域上滤除条纹的高阶谐波分量,再运用最小二乘迭代方法从三帧随机相移条纹图像中提取相位信息。数值模拟和实验结果表明,该算法可有效地抑制由高阶谐波和随机相移引入的波纹误差,误差PV值和RMS值分别为0.368 8 rad和0.025 3 rad,其精度高于传统的三步相移算法和Wang算法。该方法适合于高精度干涉测量和三维物体表面轮廓测量。